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Cálculo y Construcción de un Secador Solar por Convección Natural



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INTRODUCCIÓN Uno de los principales problemas en la producción de plantas medicinales es contar con un método adecuado para su conservación, comercialización y distribución; el proceso de secado o deshidratación de dichos productos, es la solución más adecuada. En el Perú, existen tradiciones relacionadas al uso de energía solar para el secado de diversos productos agrícolas. Esta labor se lleva a cabo mediante la exposición directa al sol de estos productos, el método es provechoso pero no regulable. Esta investigación propone un prototipo de secador solar indirecto para plantas medicinales no tradicionales, que será diseñado y construido en base a los principios de Transferencia de Calor y Masa, Termodinámica y Flujo de Fluidos.
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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Diseño, construcción y puesta en marcha de un prototipo de secador solar para la reducción de humedad de las plantas medicinales no tradicionales y de este modo incentivar el cultivo de plantas medicinales no tradicionales en las zonas rurales (alto andinas y otras). OBJETIVOS ESPECIFICOS Calcular la eficiencia del colector solar y el proceso de secado. Reconocer las plantas medicinales no tradicionales más apropiadas para que puedan ser industrializadas. Determinar el tiempo óptimo de secado de las hojas de las plantas medicinales no tradicionales consideradas.
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Proceso de secado: La Humedad. Humedad Superficial e Interna de un material. Métodos para hallar la humedad: Método Directo. Método Indirecto. DEFINICIONES PREVIAS
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Humedad en base húmeda. Humedad en base seca. Mwb: Es la humedad en base húmeda (Kg. agua / Kg. prod. húmedo) Mdb: Es la humedad en base seca (Kg. agua / Kg. prod. seco) Wo: Peso inicial de la materia sin secar (Kg.) Ww: Cantidad de agua en el producto húmedo (Kg.) Wd: Peso de la materia seca en el producto (Kg.)
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Materiales Higroscópicos “En los materiales higroscópicos la humedad contenida esta usualmente “atrapada” en pequeños capilares cerrados, siendo imposible llegar hasta valores de humedad iguales a cero y por tanto siempre existirá un contenido de humedad residual, como es el caso de las plantas medicinales no tradicionales”.
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Secadores Solares. Secador solar directo En este tipo de secadores el producto se usa como superficie absorbente de la radiación solar. En ellos, el secado se realiza en menor tiempo pero también es menos uniforme, con ventajas para las partes del producto directamente expuestas al sol. Es eficiente con productos resistentes a la radiación solar directa.
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Secadores Solares. Secador solar indirecto Ofrece una mejor calidad del producto, al no incidir sobre el mismo la radiación solar directamente; la manipulación del producto es generalmente más fácil; el control de los parámetros de secado es más sencillo, ya que puede regularse por medio del aire. Por convección natural Por convección forzada
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Secadores Solares. Secador solar mixto En ellos el producto esta expuesto simultáneamente a la radiación solar directa y al aire previamente calentado con energía solar. Resultan útiles cuando el área es insuficiente para el secado solar directo, con una adecuada circulación de aire pueden producir un secado mas uniforme que este ultimo.
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Partes de un secador solar indirecto El Colector Solar. El cual, consta de una cubierta de vidrio que permite el paso de la radiación solar de onda corta, una placa absorbente formada de una capa de piedras distribuidas uniformemente que permite absorber la radiación de onda corta concentrándola y reflejándola en radiación de onda larga. En el colector se busca elevar la temperatura del aire y reducir su humedad.
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La Cámara de Secado. Es una cabina cerrada, cuyas dimensiones dependen de la cantidad de plantas a secar y del proceso de secado. Consta de una entrada conectada a la salida del colector y que permite la entrada del flujo de aire caliente, posee un sistema de carga y descarga de las plantas medicinales, para controlar de forma más sencilla el proceso. En la cámara, el aire circundante a las plantas (con alta temperatura) permite remover el agua contenida en ellas. Partes de un secador solar indirecto
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La Chimenea. Es un ducto aislado que permite la evacuación del flujo de aire húmedo de la cámara de secado hacia el ambiente. Partes de un secador solar indirecto Colector Cámara Chimenea
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PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO Se toma en cuenta las variables meteorológicas: velocidad del viento, irradiación solar, latitud, humedad y temperatura de aire (información obtenida del lugar de prueba), : Análisis del circuito térmico en un colector de placa plana Balance de energía tomando en cuenta el calor absorbido, el calor útil, y las perdidas en la parte superior e inferior del colector solar de placas planas. Se ejecuta el cálculo teórico de la eficiencia del colector solar de placas planas, determinándose el área de captación óptima y el área de paso (flujo de aire), con lo cual se puede optimizar las dimensiones para el colector (largo, ancho y alto). PRIMERA ETAPA: Diseño del colector solar
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Análisis del circuito térmico de un colector solar de placa plana (Gp:) Cubierta (vidrio) (Gp:) Placa colectora (Piedras) (Gp:) Aislamiento (Tecnopor) (Gp:) Sol (Gp:) R2 (Gp:) R3 (Gp:) R4 (Gp:) Radiación Incidente (Gp:) Reflexión (Gp:) Absorción (Gp:) R1 (Gp:) Ta (Gp:) Ta R1, R2, R4 son resistencias que representan oposición a las perdidas de calor por convección y radiación R3 representa la resistencia a la conducción a través del aislante térmico en la parte posterior y a los lados del colector R4 es muy pequeña y despreciable La finalidad de este análisis es obtener una resistencia equivalente(Req) que es inverso del coeficiente total de perdidas de calor (Up)
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Ut es el coeficiente total de transferencia de calor para la parte superior del colector y es igual al inverso de las de la suma de las 2 primeras resistencias. Ub y Ue, son los coeficientes de pérdida de calor por conducción en el fondo y los lados respectivamente, que tienen que ver con R3 Ka = Es la conductividad térmica del aislante l = Espesor del aislante en el fondo l’ = Espesor del aislante a los lados P = Perímetro del colector M = Altura del colector
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Análisis del proceso de transferencia de calor en un colector de placa plana Ecuación de Balance Energético en colectores de placa plana Qabs (W) = Calor total incidente absorbido por unidad de tiempo. Qutil (W) = Calor útil que se trasfiere al fluido de trabajo. Qperd (W) = Pérdidas de calor a los alrededores por radiación, convección y conducción. du/dt (W) = Rapidez del cambio de energía interna almacenada en el colector, despreciable. H (W/m2) = Energía solar incidente. Ac (m2) = Área efectiva del colector. t = Transmitancia solar efectiva de la cubierta del colector a = Absortancia de la placa absorbente del colector ? : Es la refractancia difusa, toma diferentes valores según el número de cubiertas que se utilicen para 1 cubierta ? = 0.16
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m (kg): Masa de aire Cp (J/kgºC): Capacidad calorífica del fluido dT/dt (ºC/s): Rapidez del cambio de cambio de temperatura con respecto al tiempo Ul (W/m2 ºC): Coeficiente de pérdidas de calor por radiación, convección y conducción Tpm (ºC): Temperatura media de la placa de absorción Ta: Temperatura del ambiente. La temperatura media es función del diseño del colector y a su vez este depende de la radiación solar incidente y la temperatura del fluido de trabajo al entrar al colector. Reemplazando:
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Cubierta (vidrio) Placa colectora (Piedras) Aislamiento (Tecnopor) Aire frío Aire Caliente S h2 h1 hr Balance energético Cubierta: Placa: Fluido: (-) (+) (+) (+) (-) (-) (-) (-) (+) Fluido